Триод

Эта статья — об электровакуумном приборе. О полупроводниковом триоде см. Транзистор.

Музейный экземпляр триода

Эле́ктрова́куумный трио́д, или просто трио́д (от греческого tri и ηλεκτρόδιο), — электронная лампа, состоящая из трех электродов внутри вакуумированной оболочки — колбы (стеклянной, металлической или выполненной из какого-то другого материала) и позволяющая посредством изменения входного сигнала управлять током в электрической цепи.

Появившись в начале XX века, электровакуумные триоды стали первыми успешными устройствами, применявшимися для усиления электрических сигналов. Сегодня они практически полностью вытеснены полупроводниковыми триодами — транзисторами, однако в ряде областей применения, где требуются устойчивость к внешним воздействиям, высокая линейность и стабильность характеристик, электровакуумные триоды используются и по сей день.

История

Первой вакуумной лампой был термоэмиссионный диод или клапан (вентиль) Флеминга (англ. Fleming’s valve), изобретенный в 1904 году в качестве детектора для радиоприемников. Данное устройство получило название вентиля, поскольку обладало способностью пропускать электрический ток только в одном направлении. Диод представлял собой вакуумированную стеклянную колбу, содержащую два электрода: нагретую нить накала (катод) и анод. В ранних версиях анод представлял собой плоскую металлическую пластину, расположенную рядом с катодом, в более поздних версиях — окружающий катод металлический цилиндр.

Ли де Форест со своим изобретением

В 1906 году американский инженер Ли де Форест и австрийский физик Роберт фон Либен независимо друг от друга запатентовали трубки, в которых между катодом и анодом был добавлен третий электрод — управляющая сетка. Начиная с октября 1906 года де Форест запатентовал ряд конструкций трехэлектродных ламп, предназначенных для использования в качестве радиодетекторов. В № 1665 журнала Scientific American Supplement за ноябрь того же года была опубликована его статья «Аудион — новый приемник беспроволочной телеграфии». Однако, де Форест ошибочно считал, что работа устройства основана на созданном в разрежённом газе потоке ионов, и полагал, что нельзя создавать в лампе вакуум. Другой американский изобретатель, Эдвин Армстронг, предложил полностью откачать из баллона лампы воздух и усовершенствовал устройство таким образом, что усиление сигнала стало более стабильным.

В устройстве австрийского изобретателя Роберта фон Либена сетка располагалась в центре стеклянного баллона и выполнялась в виде круга, изготовленного из перфорированного алюминиевого листа. Для увеличения тока катод триода покрывался слоем окиси бария. Трехэлектродные вакуумные лампы конструкции фон Либена получили распространение, но все же именно конструкция де Фореста, оказавшись более технологичной и перспективной, стала основной элементной базой первой «электронной революции».

Название «триод» появилось позже, оно было придумано британским физиком Уильямом Экклзом, когда возникла необходимость отличать трёхэлектродное устройство от других видов электронных ламп с бо́льшим (или меньшим) количеством элементов. Первые триоды имели низкий коэффициент усиления с большой электрической ёмкостью между анодом и сеткой, что оказывало вредное влияние на работу лампы в диапазоне высоких частот. Изучением и устранением этих недостатков, а затем и возникших новых проблем, занимались учёные и инженеры в разных странах. В лампу были введены дополнительные сетки, выполняющие функции экрана и защиты от динатронного эффекта, что привело к созданию целого семейства многосеточных электронных ламп — тетродов, пентодов и других.

Конструкция триода

Схематичное изображение конструкции лампового триода

В большинстве случаев конструктивно триод выполнен в виде стеклянного или керамического баллона, в котором размещены подогреваемый катод, управляющая сетка и анод.

Катод представляет собой узкую металлическую трубку по центру лампы. Внутри катода находится нагреватель — нить накала из высокоомной вольфрамовой проволоки, нагревающей катод до 800—1000 °C. Подобный катод называется катодом с косвенным нагревом. Катод покрыт смесью оксидов щелочноземельных элементов, таких как оксид кальция и тория, что снижает «работу выхода» (работу, которую необходимо затратить для вывода электрона из твёрдого вещества в вакуум). Излучение электронов из нагретого катода называется термоэлектронной эмиссией, в результате которой катод оказывается окружённым «электронным облаком».

Сетка — это спираль или экран из тонких проволок, окружающих катод. Название «сетка» объясняется тем, что в первых триодах этот электрод действительно представлял собой сетку или решетку. В дальнейшем сетку начали делать в виде проволочной спирали или винтовой линии, окружающей катод, но первоначальное название «сетка» удержалось за этим электродом до настоящего времени.

Анод представляет собой цилиндр или прямоугольную коробку из листового металла, окружающую сетку. При подаче на анод положительного относительно катода напряжения (анодного напряжения) он начинает притягивать электроны из окружающего катод «электронного облака», что приводит в возникновению анодного тока.

Принцип действия триода

Работа триода, как всякой электронной лампы, основана на регулировании электронного потока между катодом и анодом (анодного тока). Сетка находится между этими электродами, поэтому электроны, устремляющиеся от катода к аноду, встречают её на своем пути. Механически сетка не является препятствием для электронного потока, однако если к сетке относительно катода будет приложен какой-либо потенциал, возникает электрическое поле «катод — сетка», способное управлять анодным током.

Графическое изображение триода на схеме

За счёт того, что сетка расположена близко к катоду, даже небольшое напряжение, прикладываемое к сетке относительно катода (в дальнейшем будем называть его просто напряжением сетки), оказывает на поток электронов значительное влияние. Это определяется тем, что напряжённость электрического поля между носителями заряда в вакууме обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Отрицательное напряжение на сетке будет отталкивать электроны, уменьшая анодный ток. Нулевое напряжение практически не оказывает влияния на ток, положительное будет способствовать интенсивному увеличению анодного тока. Образно говоря, сетка — своеобразные «ворота» для электронов.

Таким образом, подавая на сетку сигнал в виде небольшого напряжения произвольной формы, можно получить значительные изменения анодного тока, повторяющие форму входного сигнала, то есть триод работает как усилитель. Если в цепь анода включить какую-либо нагрузку (резистор, дроссель или первичную обмотку трансформатора), напряжение на нагрузке повторит форму входного сигнала, а его величина будет кратно выше.

Из приведённого ниже графика зависимости токов и напряжений при разных потенциалах на сетке и аноде (анодно-сеточной характеристики) видно, что при определённом положительном напряжении на сетке она начинает притягивать к себе электроны. Возникает сеточный ток, оттягивающий на себя часть анодного тока, что изменяетнарушает линейность характеристик триода и приводит к нагреву сетки. Во избежание этого на сетку подают небольшое отрицательное напряжение — напряжение смещения.

Характеристики триода и пример подачи сеточного смещения

Графики зависимости токов и напряжений при разных потенциалах на аноде и сетке

Схема подачи напряжений в анодной и сеточной цепях триода, где U_G - напряжение смещения

Вольт-амперные характеристики триода при разных уровнях напряжения смещения на сетке

Пример схемы усилителя НЧ на триодах

На приведённой схеме изображён двухкаскадный усилитель низкой частоты на триодах.

Первый (предварительный) каскад состоит из:

• лампового триода;
• резистора нагрузки в цепи анода RANODE;
• резистора в цепи катода RCATHODE;
• сеточного резистора RGRIDLEAK;
• разделительной ёмкости в цепи подачи сигнала CouplingCap.

Резистор в цепи сетки уравнивает потенциал сетки и нулевой шины питания, а также позволяет «стекать» электронам, попавшим на сетку при прохождении через неё анодного тока.

На резисторе в цепи катода при прохождении тока создаётся падение напряжения, приложенное положительным полюсом к катоду, тем самым катод приобретает по отношению к сетке небольшой положительный потенциал, что равносильно приложению отрицательного потенциала к сетке относительно катода. Таким образом автоматически формируется напряжение сеточного смещения, величина которого является функцией анодного тока.

Ёмкость во входной цепи препятствует попаданию на сетку постоянной составляющей тока, пропуская только переменный сигнал.

Второй (окончательный) каскад усиления собран аналогично, лишь в качестве нагрузки используется разделительный выходной трансформатор.

Схема двухкаскадного усилителя низкой частоты на триодах.

Основные параметры триода

К основным параметрам триода относятся крутизна характеристики, коэффициент усиления и внутреннее сопротивление.

Крутизна характеристики

Крутизна характеристики триода, то есть угол её наклона, показывает, на какую величину изменяется сила анодного тока при изменении напряжения на сетке на один вольт и постоянном анодном напряжении:

$S={\frac {\Delta I_{a}}{\Delta U_{c}}}$ при $U_{A}=const$

Крутизна имеет размерность ${\text{мА}}/{\text{В}}$ и в современных триодах изменяется в пределах от единиц до нескольких десятков миллиампер на вольт.

Коэффициент усиления лампы

Коэффициент усиления лампы $\mu$ показывает, во сколько раз сильнее действует на анодный ток изменение напряжения на сетке, чем изменение напряжения на аноде. Практически измерение этого параметра производится следующим образом: при неизменном (среднем дnя данной лампы) значении анодного тока изменяют на возможно меньшую величину анодное напряжение, а затем возникшее изменение тока компенсируют изменением постоянного напряжения на сетке. Отношение изменения анодного напряжения к соответствующему изменению напряжения на сетке и есть коэффициент усиления лампы.

Следует различать коэффициент усиления самого триода и коэффициент усиления лампового каскада, собранного на триоде.

$\mu ={\frac {\Delta Ua}{\Delta Uc}}$ при $I_{A}=const$

Внутреннее сопротивление

Внутреннее сопротивление триода определяется формулой:

$R_{I}={\frac {\Delta Ua}{\Delta Ia}}$ при $U_{C}=const$:

и численно показывает, на сколько вольт надо изменить напряжение на аноде при постоянном напряжении на сетке, чтобы анодный ток изменился на один ампер.

Разновидности триодов

Триоды разделяются по мощности управляемой ими нагрузки, по своим частотным характеристикам и по числу триодов в одной колбе.

Маломощные триоды

Триоды малой мощности обычно выполнены в виде стеклянного или металлокерамического баллона, в котором размещены электроды и нить накала. Электроды изолированы между собой слюдяными или керамическими изоляторами и проволочками крепятся к жёстким штырьковым выводам, проходящим сквозь дно баллона. Различают триоды с пластмассовым октальным цоколем, к которому крепится баллон лампы и имеющему 8 штырьковых выводов (отсюда и название цоколя), и полностью стеклянные пальчиковые лампы, получившие своё название из-за формы и относительно малых размеров (диаметр баллона около 2 см, высота не более 8 см). Порядок соединения электродов лампы со штырьками называют цоколёвкой.

Мощные триоды

В мощных триодах обычно используется катод с прямым накалом, поскольку эмиссионное покрытие на катодах с косвенным нагревом разрушается из-за более сильной его бомбардировки ионами. Чаще всего используется торированная вольфрамовая нить, в которой добавленный к вольфраму торий диффундирует к поверхности и образует монослой, увеличивающий эмиссию электронов.

Баллоны мощных триодов изготавливают из более прочной керамики, а не стекла, а все применяемые материалы характеризуются более высокими температурами плавления, чтобы выдерживать существенный нагрев в процессе работы. Лампы с анодной рассеиваемой мощностью свыше нескольких сотен ватт иногда имеют активное охлаждение. Анод, сделанный из тяжелой меди (содержащей, в отличие от обычной меди, различные примеси, что позволяет добиться улучшенных технических и физических свойств металла), выступает через стенку баллона и прикреплен к внешнему металлическому радиатору, охлаждаемому воздухом или водой.

Маячковые триоды

Маячковый триод — радиолампа, предназначенная для работы на частотах до 3,3 ГГц. В маячковых лампах вместо штырьковых выводов электродов используются выводы в виде плоских металлических дисков, а расстояния между самими электродами достаточно малы и составляют доли миллиметров. Подобная конструкция лампы позволяет значительно уменьшить межэлектродные ёмкости и индуктивность выводов, а также использовать лампы в составе коаксиальных колебательных систем.

• 

  Триод в стеклянном корпусе с октальным цоколем

• 

  Силовой триод мощностью 1,5 кВт, используемый в радиопередатчиках

• 

  Маячковый триод 6С5Д

• 

  Триод в пальчиковом исполнении с полностью стеклянным баллоном

Двойные триоды

С целью экономии материалов при изготовлении радиоламп и уменьшении размеров аппаратуры, в которой они применяются, были разработаны комбинированные радиолампы, в том числе — двойные триоды. Так называют электровакуумные лампы, в колбе которых рядом расположены два триода с самостоятельными электродами и общей нитью накала.

На иллюстрации приведена схема усилителя радиочастоты, выполненная на двойном триоде ESS88 (6Н23П), но в основном двойные триоды применяются в усилителях низкой частоты (УНЧ), схемах промышленной автоматики, переключательных схемах.

Схема каскодного усилителя на двойном триоде ЕСС88

Обозначение электронных триодов

Обозначения электронных ламп состоят из цифр и букв. Первый элемент обозначения (цифра) указывает (приблизительно) напряжение накала катода (например, цифра 1 обозначает 1,2 В; 6 — 6,3 В и так далее).

Второй элемент (буква) обозначает тип лампы. Для приёмно-усилительных триодов это:

• С — триод;
• Н — двойной триод.

Третий элемент (цифра) обозначает порядковый номер разработки лампы данного типа, что позволяет различать однотипные лампы между собой.

Стоящая после этой цифры буква характеризует конструктивное исполнение лампы:

• П — пальчиковая лампа;
• С — лампа с октальным цоколем в стеклянном баллоне;
• А и Б — сверхминиатюрные лампы;
• Ж — лампа типа «Желудь»;
• Н — миниатюрная лампа в металлическом баллоне.

Если буква отсутствует — это лампа с октальным цоколем в металлическом баллоне.

Например, радиолампа с обозначением 6Н3П — двойной триод с напряжением накала 6,3 вольта, номер разработки — 3, исполнение — пальчиковая.

Цоколёвка электронных ламп

Цоколёвка двойного триода 6Н2П

Цоколёвка показывает, с каким выводным штырьком (ножкой) соединён тот или иной электрод лампы.

Например, для двойного триода 6Н2П цоколёвка выглядит следующим образом:

• выводы 1 и 6 — аноды;
• выводы 3 и 8 — катоды;
• выводы 2 и 7 — управляющие сетки;
• выводы 4 и 5 — нить накала;
• вывод 9 — средняя точка нити накала